Dem jüngsten Bericht zufolge kann die nächste Generation von Verbundwerkstoffen ihren eigenen strukturellen Gesundheitszustand überwachen und sich weitverbreitet durchsetzen.
Kohlefaserverbundwerkstoffe sind leicht und robust und wichtige Strukturmaterialien für Automobile, Flugzeuge und andere Verkehrsmittel. Sie bestehen aus Polymersubstraten, beispielsweise Epoxidharzen, in die verstärkte Kohlefasern eingebettet sind. Aufgrund der unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften der beiden Materialien lösen sich die Fasern bei übermäßiger Belastung oder Ermüdung vom Substrat. Dadurch können Schäden an der Kohlefaserverbundstruktur unter der Oberfläche verborgen sein und mit bloßem Auge nicht erkannt werden, was zu schwerwiegenden Ausfällen führen kann.
„Wenn man das Innere der Verbundwerkstoffe versteht, kann man ihren Zustand besser beurteilen und feststellen, ob Schäden vorliegen, die repariert werden müssen“, sagt Ridge Chris Bowland, ein Forscher am
Oak Ridge National Laboratory im US-Energieministerium (Oak National Laboratory) Wigner. Kürzlich erfand Amit Naskar, Leiter des Carbon- und Verbundwerkstoffteams bei Bowland und ORNL, ein Rollstreifenverfahren, um leitfähige Kohlenstofffasern auf Halbleiter-Siliziumkarbid-Nanopartikel zu wickeln. Die Nanomaterialien sind in Verbundwerkstoffe eingebettet, die stärker als andere faserverstärkten Verbundwerkstoffe sind und über eine neue Fähigkeit verfügen, den Zustand ihrer eigenen Strukturen zu überwachen. Sind genügend beschichtete Fasern in das Polymer eingebettet, bilden diese ein Stromnetz, und die Verbundwerkstoffe leiten Strom. Halbleiter-Nanopartikel können diese elektrische Leitfähigkeit unter Einwirkung äußerer Kräfte zerstören und den Verbundwerkstoffen so mechanische und elektrische Funktionen verleihen. Werden die Verbundwerkstoffe gedehnt, wird die Konnektivität der beschichteten Fasern zerstört und der Widerstand des Materials verändert sich. Verbiegt sich der Verbundwerkstoffflügel durch Sturmturbulenzen, kann ein elektrisches Signal den Flugzeugcomputer warnen, dass der Flügel zu stark belastet ist, und einen Test vorschlagen. Die Rollstreifen-Demonstration von ORNL beweist prinzipiell, dass das Verfahren die nächste Generation beschichteter Verbundfasern in großem Maßstab produzieren kann. Selbsterkennende Verbundwerkstoffe, Möglicherweise aus erneuerbaren Polymersubstraten und kostengünstigen Kohlenstofffasern hergestellt, können sie in allgegenwärtigen Produkten Verwendung finden, darunter sogar in 3D-gedruckten Autos und Gebäuden. Um in Nanopartikel eingebettete Fasern herzustellen, installierten die Forscher Hochleistungs-Kohlenstofffaserspulen auf den Walzen, und die Walzen tränkten die Fasern in Epoxidharzen, die auf dem Markt erhältliche Nanopartikel enthalten, deren Breite etwa der Breite des Virus (45-65 nm) entspricht.
Die Fasern werden anschließend im Ofen getrocknet, um die Beschichtung zu fixieren. Um die Festigkeit der in Nanopartikel eingebetteten Fasern zu testen, die auf dem Polymersubstrat verklebt sind, fertigten die Forscher faserverstärkten Verbundbalken, die in einer Richtung angeordnet waren. Bowland führte einen Belastungstest durch, bei dem die Enden des Auslegers fixiert waren, während die Maschine zur Messung der mechanischen Eigenschaften Schub auf die Mitte des Balkens ausübte, bis dieser versagte. Um die Sensorfähigkeit des Verbundwerkstoffs zu untersuchen, installierte er Elektroden auf beiden Seiten des Auslegers. In einer Maschine, einem sogenannten „Dynamischen Mechanischen Analysator“, fixierte er ein Ende, um den Ausleger stationär zu halten. Die Maschine übte am anderen Ende Kraft aus, um den Aufhängungsbalken zu biegen, während Bowland die Widerstandsänderung überwachte. Der Postdoktorand Ngoc Nguyen vom ORNL führte zusätzliche Tests mit dem Fourier-Transform-Infrarot-Spektrometer durch, um chemische Bindungen in Verbundwerkstoffen zu untersuchen und die beobachtete erhöhte mechanische Festigkeit besser zu verstehen. Die Forscher testeten außerdem die Fähigkeit zur Energieableitung von Verbundwerkstoffen aus unterschiedlichen Nanopartikelmengen (gemessen am Schwingungsdämpfungsverhalten), was die Reaktion von Strukturmaterialien auf Stöße, Vibrationen und andere Spannungs- und Dehnungsquellen erleichtern würde. In jeder Konzentration können Nanopartikel die Energieableitung erhöhen (von 65 % bis 257 % in unterschiedlichem Ausmaß). Bowland und Naskar haben ein Verfahrenspatent zur Herstellung selbsterkennender Kohlefaserverbundwerkstoffe angemeldet.
„Imprägnierte Beschichtungen bieten eine neue Möglichkeit, die Vorteile neuer Nanomaterialien zu nutzen, die derzeit entwickelt werden“, sagte Bowland. Die Studie wurde durch Forschungs- und Entwicklungsprojekte des ORNL-Labors unterstützt und in der Fachzeitschrift ACS Applied Materials and Interfaces der American Chemical Society veröffentlicht.
Beitragszeit: 07.12.2018